1c 4. Funktioner: 4.5 Grafisk ekvationslösning och modellering
Matematiska modeller
Med en matematisk modell menar vi ett samband eller en funktion som visar hur en variabel beror av en eller flera andra variabler. Vilken funktionstyp man väljer för sin modell beror på vad modellen ska beskriva.
Regnet har en konstant intensitet, vilket innebär att mätaren fylls med lika mycket vatten varje minut. Det visar att modellen är linjär.
Låt # h ( t ) # beteckna höjden i regnmätaren, där # t # är tiden i minuter.
En generell linjär modell är då # h ( t ) = # kt #+ # m. Vår linjära modells # m #-värde anger hur mycket vatten som finns då # t = 0. # Det innebär att # m = 0 # eftersom mätaren var tom från början.
# k #-värdet anger hur många millimeter vattennivån i regnmätaren stiger per minut.
Det regnar #12 # mm på #2 # timmar, alltså #6 # mm på #60 # minuter.
# k = 6/60 = 0,1 # mm/minut.
Vår linjära modell blir # h ( t ) = kt + m = 0,1 t . #
Efter #40 # minuter hade det regnat # h (40) = 0,1 \cdot 40 = 4, # dvs #4 # mm.
Vi börjar med en linjär modell, där temperaturen beskrivs av funktionen # T ( t ) = kt + m#.
Vid # t = 0 # är temperaturen #90 # °C, så # m = 90. #
Vid # t = 10 # är temperaturen #50 # °C.
Den linjära modellens lutning # k # är då #k = \frac{{\Delta T}}{{\Delta t}} = \frac{{50 - 90}}{{10 - 0}} = \frac{{ - 40}}{{10}} = - 4#
Det innebär att temperaturen minskar med #4 # °C per minut.
Då är # T ( t ) = -4 t + 90, # och # T (6) = -4 \cdot 6 + 90 = 90 - 24 = 66 # °C.
I verkligheten avtar temperaturen exponentiellt, enligt en fysikalisk lag. Vi ställer upp en generell exponentiell modell:
# T ( t ) = Ca ^{ t } + m #
# m # är det värde som temperaturen närmar sig efter lång tid, alltså rumstemperaturen: # m = 20. #
Vid # t = 0 # gäller # T = 90# : # Ca ^{0} + 20 = 90 #
#\qquad C + 20 = 90, # det vill säga # C = 70 #
Vid # t = 10 # gäller # T = 50# : #70 a ^{10} + 20 = 50 #
#\qquad 70 a ^{10} = 30 #
#\qquad a ^{10} = 30/70, # det vill säga # a = (30/70)^{1/10} ≈ 0,919 #
Vår modell är alltså # T ( t ) = 70 \cdot 0,919^{ t } + 20, # och # T (6) = 70 \cdot 0,919^{6} + 20 ≈ 62, # det vill säga #62 # °C